Schwingungstechnische Analyse, Bewertung und Optimierung

Berechnung, Auslegung, Optimierung und prototypische Umsetzung von Strukturen, Struktursystemen und mechatronischen Systemen.

 

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit technischer Produkte nimmt stetig zu. Funktionsintegration, konsequenter Leichtbau und neue Fertigungsverfahren führen zu komplexen dynamischen, mechatronischen Systemen, bei denen die verschiedenen Wechselwirkungen für Entwickler bei einer ganzheitlichen, interdisziplinären Betrachtungsweise eine besondere Herausforderung darstellen.

Das Fraunhofer LBF bietet neben der Berechnung, Auslegung, Optimierung und prototypischer Umsetzung von Strukturen, Struktursystemen und mechatronischen Systemen auch entsprechende Beratungen und Schulungen an. Durch die Verknüpfung mit aktuellen Forschungsgebieten im Kontext von Industrie 4.0, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz werden kontinuierlich neue wissenschaftliche Handlungsfelder vorangetrieben. Neben der hochfrequenten Charakterisierung und Beschreibung elastomerer Bauteile zur Schwingungsbeeinflussung und effizienten Verfahren der parametrischen Modellreduktion stehen innovative passive und aktive Systeme zur Schwingungsminderung und Hardware-in-the-Loop-Simulationen besonders im Fokus.

 

Schwingungstechnische Optimierung

Einzelne Bauteile oder Struktursysteme mit mehreren gekoppelten Bauteilen sowie Großstrukturen werden aufgrund von Leichtbaumaßnahmen oder Maßnahmen zur Steigerung der Performance im Betrieb immer öfter zu unerwünschten Schwingungen angeregt, was zu Komforteinschränkungen, Überlastung von Bauteilen oder einer eingeschränkten Präzision führt.

Je nach Anforderung lassen sich mit Hilfe numerischer Schwingungsanalysen in verschiedenen Detailstufen die schwingungstechnischen Herausforderungen identifizieren und geeignete Maßnahmen zur Schwingungsminderung ableiten. Je nach Modellbildung der Struktursysteme kommen dabei verschiedene Methoden der computergestützten Optimierung zum Tragen. Ebenso kann im numerischen Modell der Einfluss und die Effizienz von passiven, semiaktiven und aktiven Maßnahmen wie Elastomerlagerungen, Dämpfern, Tilgern oder Inertialmassenerregern realitätsnah bis in den akustischen Frequenzbereich untersucht werden.

 

Rotordynamik

Rotierende Systeme haben spezielle dynamische Eigenheiten. Insbesondere bei hohen Drehzahlen können Schwingungsphänomene auftreten, die bei translatorischen Systemen nicht zu beobachten sind. Zum Beispiel führen drehzahlabhängige Eigenfrequenzen aufgrund von gyroskopischen Effekten sowie andere Instabilitäten zu unerwünschtem Verhalten im Betrieb. Solche rotordynamischen Effekte sind unter anderem bei Turbinen in der Energietechnik, Pumpen und Verdichtern in Produktionsanlagen, Spindeln in Werkzeugmaschinen sowie rotierenden Maschinen in der Medizintechnik zu berücksichtigen.

Die Methoden zur schwingungstechnische Analyse, Bewertung und Optimierung sind in den letzten Jahren für die speziellen Anforderungen der Rotordynamik am Fraunhofer LBF angepasst und erweitert worden, so dass auch hier eng verzahnte und sich ergänzende numerische und experimentelle Verfahren zur Analyse und Entwicklung von Gegenmaßnahmen angeboten werden. Eine entsprechende Verifikation der numerisch vorausgelegten und prototypisch umgesetzten Maßnahmen kann im Anschluss in einem Prüfstand mit magnetgelagertem Rotor erfolgen.

Rotationsschwingungsprüfstand mit adaptivem Tilger.

Passive und semiaktive dynamische Systeme

Zur Verminderung unerwünschter Schwingungen werden in allen technischen Bereichen verschiedenste passive und semiaktive dynamische Systeme eingesetzt. Einfache passive Systeme sind beispielsweise dämpfende Elastomerlagerungen oder Feder-Masse-Tilger. In vielen Fällen erfolgt deren Auslegung über einen empirischen experimentellen Ansatz mit mehreren Iterationsschleifen. Dieses aufwändige Vorgehen lässt sich mit Hilfe einer ganzheitlichen numerischen Auslegung und/oder der Verwendung von semiaktiven Systemen umgehen bzw. deutlich vereinfachen.

Solche Systeme werden je nach Anforderungen für die Schwingungsminderung oder das Einstellen von spezifischen dynamischen Eigenschaften von Struktursystemen zunächst numerisch ausgelegt und optimiert. Im Anschluss können diese dann prototypisch aufgebaut und experimentell verifiziert werden. Die dynamischen Systeme reichen dabei von passiven Elastomeren, Tilgern, hydraulischen Dämpfern, Wirbelstromdämpfern, manuell einstellbaren Tilgern bis hin zu Entwicklungswerkzeugen zur motorischen Verstellung der Steifigkeit und Anpassung der Dämpfungseigenschaften.

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Programmierbare Materialien, Metamaterialien und 4D-Druck

Unter den Begriffen Programmierbare Materialien, Metamaterialien und 4D-Druck versteht man Materialien oder Kombinationen von Materialien, die aufgrund von gezielt gestalteten mikro- bzw. nanoskopischen Strukturen makroskopische Eigenschaften aufweisen, die in klassischen Materialien nicht vorhanden sind und völlig neue Anwendungsmöglichkeiten erschließen. In programmierbare Materialien lassen sich beispielsweise über additive Fertigungsverfahren komplexe und lokal unterschiedliche Funktionalitäten einprogrammieren, sodass sie die Funktion ganzer Systeme übernehmen können. Um dieses Potential auszuschöpfen, müssen in einem ganzheitlichen Ansatz die Materialeigenschaften, seine inneren Strukturen und der Produktionsprozess interdisziplinär miteinander verbunden werden. So können anwendungsspezifisch Materialien entwickelt werden, die reversibel veränderliche Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften oder spezielle Akustikeigenschaften aufweisen und zu einem Paradigmenwechsel in der Produktentwicklung führen.